JP2010124543A - Polymer actuator - Google Patents

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JP2010124543A
JP2010124543A JP2008293631A JP2008293631A JP2010124543A JP 2010124543 A JP2010124543 A JP 2010124543A JP 2008293631 A JP2008293631 A JP 2008293631A JP 2008293631 A JP2008293631 A JP 2008293631A JP 2010124543 A JP2010124543 A JP 2010124543A
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Toshinori Kato
利典 加藤
Taketoshi Okuno
壮敏 奥野
Ryota Komiya
良太 小宮
Nozomi Sugo
望 須郷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer actuator that is driven by a low voltage even in a state without the presence of water and is favorable in driving response. <P>SOLUTION: The polymer actuator 10 is so configured that electrode layers are in contact with each other with nonaqueous polymeric solid electrolyte containing ionic liquid and a macromolecular component in between. When power is supplied from an external power supply 15, the electrode layers absorb or desorb ions supplied from the ion liquid to charge or discharge the actuator and the actuator is thereby driven. In this polymer actuator, a power collecting body having a higher electrical conductivity than the electrode layers and formed by adhesively bonding metal power with binder resin covers at least part of the electrode layers and connects to the external power supply. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子固体電解質を電極で挟んで構成され、応答性が改良された高分子アクチュエータに関する。   The present invention relates to a polymer actuator having a polymer solid electrolyte sandwiched between electrodes and improved responsiveness.

近年、医療機器やマイクロマシンなどの分野においては小型かつ軽量なアクチュエータやセンサといったトランスデューサの必要性が高まっている。また産業用、及びパーソナルロボットなどの分野においても軽量で柔軟性に富むトランスデューサの必要性が高まっている。   In recent years, in the fields of medical equipment and micromachines, there is an increasing need for transducers such as small and lightweight actuators and sensors. In addition, in the fields of industrial and personal robots, there is an increasing need for transducers that are light and flexible.

こういった観点から、軽量、駆動部が柔軟なアクチュエータとして高分子アクチュエータに注目が集まっている。高分子アクチュエータとしては種々の方式のものがこれまでに提案されてきている。例えば含水高分子ゲルの温度変化、pH変化、電場印加等の刺激による形態変化を利用した高分子アクチュエータ(特許文献1参照)、イオン交換樹脂膜とその両面に接合した電極とからなり、前記イオン交換樹脂膜の含水状態において、両面の電極間に電位差を与えて湾曲及び変形を生じさせる高分子アクチュエータ(特許文献2参照)が提案されている。特に後者においては電極印加後、瞬時に湾曲及び変形が高分子アクチュエータに応答して現れ、非常に優れた応答性を示すが、一方で含水状態でしか動作しない、という点からその応用範囲が限定されてしまうという問題がある。   From this point of view, polymer actuators are attracting attention as actuators that are lightweight and have a flexible drive section. Various types of polymer actuators have been proposed so far. For example, it comprises a polymer actuator (see Patent Document 1) that utilizes a change in the shape of a hydrous polymer gel caused by a stimulus such as temperature change, pH change, and electric field application, an ion-exchange resin film, and electrodes joined to both surfaces thereof. There has been proposed a polymer actuator (see Patent Document 2) that causes a curve and deformation by applying a potential difference between electrodes on both surfaces in a water-containing state of an exchange resin film. Especially in the latter, bending and deformation instantly appear in response to the polymer actuator after application of the electrode and show very excellent responsiveness, but on the other hand, its application range is limited because it operates only in a water-containing state. There is a problem of being done.

これらの課題を克服するものとして、軟質な高分子誘電体と柔軟な電極とからなる高分子アクチュエータが報告されている(特許文献3参照)。この方式の高分子アクチュエータは、動作に水を必要とせず、またアクチュエータの動作がイオンなどの物質移動現象ではなく、より高速なプロセスである電子移動現象によるものであることから非常に応答性に優れるものである。しかしながらその一方では、動作には数1000V程度の非常に高い電圧が必要であり、安全性の観点から応用範囲が限定されてしまう、という問題がある。   As a means for overcoming these problems, a polymer actuator comprising a soft polymer dielectric and a flexible electrode has been reported (see Patent Document 3). This type of polymer actuator does not require water for operation, and the operation of the actuator is not a mass transfer phenomenon such as ions, but is due to an electron transfer phenomenon which is a faster process, so it is very responsive. It is excellent. However, on the other hand, a very high voltage of about several thousand volts is required for the operation, and there is a problem that the application range is limited from the viewpoint of safety.

この課題を克服すべく、イオン液体とフッ素系高分子からなる非水系高分子固体電解質の両面にイオン液体とフッ素系高分子及び単層カーボンナノチューブとからなる電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(非特許文献1参照)や、イオン液体とブロック共重合体とからなる非水系高分子固体電解質の両面に活性炭を含む電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(特許文献4)が報告されている。これらの高分子アクチュエータは、水の無い状態においても数V程度の低い電圧で駆動するが、電極層の抵抗が高いことに由来して応答性が悪いという問題がある。   In order to overcome this problem, a polymer actuator in which an electrode made of an ionic liquid, a fluorine-based polymer, and a single-walled carbon nanotube is bonded to both surfaces of a non-aqueous polymer solid electrolyte made of an ionic liquid and a fluorine-based polymer (non- Patent Document 1) and a polymer actuator (Patent Document 4) in which electrodes containing activated carbon are bonded to both surfaces of a nonaqueous polymer solid electrolyte made of an ionic liquid and a block copolymer have been reported. These polymer actuators are driven at a low voltage of about several volts even in the absence of water, but have a problem that the response is poor due to the high resistance of the electrode layer.

そのため、高分子アクチュエータの2つの電極に接して、金属薄膜を設ける構成が報告されている。金属薄膜を設ける方法としては、例えば、真空蒸着法やスパッタリングなどによる方法や金属の箔を貼り合せる方法(非特許文献2参照)などが提案されている。しかしながら、前者においては真空プロセスが必要となるため製造設備が煩雑化し安価に高分子アクチュエータを提供することが難しくなることや、高分子アクチュエータがフッ素系樹脂で構成されている場合、金属薄膜の高分子アクチュエータの密着力が弱く、容易に形成した金属薄膜が脱落してしまうという問題がある。   Therefore, a configuration in which a metal thin film is provided in contact with two electrodes of a polymer actuator has been reported. As a method for providing a metal thin film, for example, a method by vacuum vapor deposition or sputtering, a method of bonding a metal foil (see Non-Patent Document 2), and the like have been proposed. However, the former requires a vacuum process, which makes it difficult to provide a polymer actuator at a low cost due to complicated manufacturing equipment, and when the polymer actuator is made of a fluororesin, There is a problem that the adhesion force of the molecular actuator is weak, and the metal thin film formed easily falls off.

また金属の箔を貼りあわせる方法では、やはり金属箔と高分子アクチュエータの密着性が良好ではなく剥がれやすく、また薄いため容易に破れるなど取扱性や耐久性に問題がある。これを克服しようと強度の高い金属箔を用いた場合には抵抗が改善されたとしても、アクチュエータの動作を妨げてしまうため、やはり高分子アクチュエータの性能を向上には有用とはいえない。   Also, the method of laminating a metal foil has a problem in handling and durability, such as the adhesion between the metal foil and the polymer actuator is not good and is easily peeled off, and it is easily broken because it is thin. When a high strength metal foil is used to overcome this problem, even if the resistance is improved, the operation of the actuator is hindered, so it cannot be said that it is useful for improving the performance of the polymer actuator.

特開昭63−309252号公報JP-A 63-309252 特公平7−4075号公報Japanese Patent Publication No. 7-4075 特表2003−505865号公報Special table 2003-505865 gazette PCT国際公開WO2008/044546号PCT International Publication No. WO2008 / 044546 未来材料,第5号,第10巻,14頁,2005年Future Materials, Vol. 5, 10, p. 14, 2005 Sensors and Actuator A, 第126号, 173頁, 2006年Sensors and Actuator A, 126, 173, 2006

本発明の目的は、前記の課題を解決するためになされたものであって、水が存在しない状態において低い電圧で駆動することが可能であり、なおかつその駆動の応答性が良好な高分子アクチュエータを提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and is a polymer actuator that can be driven at a low voltage in the absence of water and has good drive response. Is to provide.

本発明者らは、鋭意検討した結果、少なくとも2つの電極層と、2つの電極層に挟まれた非水系高分子固体電解質層を少なくとも1つ有する高分子アクチュエータにおいて、特定の要件を満たす集電体層を電極層と接するように設置した高分子アクチュエータでは、その駆動の応答性が良好であり種々用途に好適に用いることができることを見出した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that a current collector that satisfies specific requirements in a polymer actuator having at least two electrode layers and at least one non-aqueous polymer solid electrolyte layer sandwiched between the two electrode layers. It has been found that a polymer actuator in which the body layer is placed in contact with the electrode layer has good drive responsiveness and can be suitably used for various applications.

この知見の下になされた本願発明の請求項1に係る発明の高分子アクチュエータは、イオン液体及び高分子成分を含む非水系高分子固体電解質の層を挟んで接する電極層が、外部電源からの給電により、該イオン液体から供給されるイオンを吸脱着して充電あるいは放電させることにより駆動する高分子アクチュエータにおいて、該電極層よりも高い電気伝導性を有し、金属粉をバインダー樹脂で結着させた集電体層が、該電極層の少なくとも一部を覆って、前記外部電源に接続していることを特徴とする。   The polymer actuator of the invention according to claim 1 of the present invention made under this knowledge has an electrode layer in contact with a nonaqueous polymer solid electrolyte layer containing an ionic liquid and a polymer component sandwiched from an external power source. A polymer actuator that is driven by power supply by absorbing and desorbing ions supplied from the ionic liquid and charging or discharging them. The polymer actuator has higher electrical conductivity than the electrode layer, and the metal powder is bound with a binder resin. The collected current collector layer covers at least a part of the electrode layer and is connected to the external power source.

同じく請求項2に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1に記載の高分子アクチュエータであって、該集電体層の表面固有抵抗が最大10−2Ω/□であり且つ引張弾性率が10GPa以下であることを特徴とする。 Similarly, the polymer actuator of the invention according to claim 2 is the polymer actuator according to claim 1, wherein the collector layer has a maximum surface resistivity of 10 −2 Ω / □ and a tensile elastic modulus. It is 10 GPa or less.

請求項3に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1または2に記載の高分子アクチュエータであって、該金属粉が銀粉であることを特徴とする。   A polymer actuator according to a third aspect of the present invention is the polymer actuator according to the first or second aspect, wherein the metal powder is silver powder.

請求項4に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1から3のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータであって、該バインダー樹脂がウレタン樹脂であることを特徴とする。   A polymer actuator according to a fourth aspect of the present invention is the polymer actuator according to any one of the first to third aspects, wherein the binder resin is a urethane resin.

請求項5に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1から4のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータであって、該集電体層が塗工により形成されることを特徴とする。   A polymer actuator according to a fifth aspect of the present invention is the polymer actuator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the current collector layer is formed by coating.

請求項6に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1から5のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータであって、該非水系高分子固体電解質が、イオン液体と該イオン液体に相溶である重合体ブロック(P)を1つ以上と、該イオン液体と非相溶である重合体ブロック(Q)を1つ以上有するブロック共重合体(R)とを、含有することを特徴とする。   A polymer actuator according to a sixth aspect of the present invention is the polymer actuator according to any one of the first to fifth aspects, wherein the non-aqueous polymer solid electrolyte is compatible with the ionic liquid and the ionic liquid. It contains at least one polymer block (P) and a block copolymer (R) having at least one polymer block (Q) that is incompatible with the ionic liquid. .

請求項7に係る発明の高分子アクチュエータは、請求項1から6のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータであって、該電極層が、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維から選ばれる少なくとも1つの炭素材料を含むことを特徴とする。   A polymer actuator of an invention according to claim 7 is the polymer actuator according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrode layer is selected from activated carbon, carbon black, carbon nanotube, and carbon fiber. It contains at least one carbon material.

本発明の高分子アクチュエータは、抵抗の低い集電体層を有することにより、電源からの接続部から離れた場所においても瞬時に2つの電極間に電位差が印加されるため高分子アクチュエータの駆動応答性が良好である。また本発明の集電体は柔軟であり、高分子アクチュエータ自身の駆動を妨げず、駆動性能、応答性に優れる高分子アクチュエータを提供できる。   Since the polymer actuator of the present invention has a current collector layer having a low resistance, a potential difference is instantaneously applied between the two electrodes even at a location away from the connection from the power source, so that the drive response of the polymer actuator Good properties. In addition, the current collector of the present invention is flexible and can provide a polymer actuator excellent in drive performance and responsiveness without impeding the drive of the polymer actuator itself.

発明を実施するための好ましい形態Preferred form for carrying out the invention

本発明の高分子アクチュエータは、イオンの吸脱着により充電及び/又は放電を起こす電極層と、電極に挟まれた非水系高分子固体電解質を有しており、電極層を覆って集電体層を有している。   The polymer actuator of the present invention has an electrode layer that is charged and / or discharged by adsorption / desorption of ions, and a non-aqueous polymer solid electrolyte sandwiched between the electrodes, and covers the electrode layer and a current collector layer have.

集電体は、高分子アクチュエータの長手方向への抵抗を低減するものである。高分子アクチュエータを駆動する際には、高分子アクチュエータを構成する2つの電極に対し、夫々電源の正極/負極と接続したリード線を接続することで、高分子アクチュエータの2つの電極間に電圧を印加する。この時、高分子アクチュエータを構成する電極単体での抵抗が、上記した炭素材料を活物質とする電極のように高い場合には、リード線と電極の接点から高分子アクチュエータ長手方向に電圧が伝わるのに時間を要するため、高分子アクチュエータの駆動応答性が劣る。集電体は、これを克服する。   The current collector reduces the resistance in the longitudinal direction of the polymer actuator. When driving a polymer actuator, a lead wire connected to the positive electrode / negative electrode of the power source is connected to the two electrodes constituting the polymer actuator, respectively, so that a voltage is applied between the two electrodes of the polymer actuator. Apply. At this time, when the resistance of the electrode constituting the polymer actuator is high as in the case of an electrode using the above-mentioned carbon material as an active material, a voltage is transmitted from the contact point between the lead wire and the electrode in the longitudinal direction of the polymer actuator. Since this requires time, the drive response of the polymer actuator is inferior. The current collector overcomes this.

集電体は、高分子アクチュエータのみならず、例えば電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイスなどにおいても用いられる。電気二重層キャパシタの場合ではアルミニウム箔やプラズマ溶射法により形成されたアルミニウムなどの金属層などが用いられている。   The current collector is used not only in a polymer actuator but also in an electrochemical device such as an electric double layer capacitor. In the case of an electric double layer capacitor, a metal layer such as aluminum foil or aluminum formed by plasma spraying is used.

本発明の高分子アクチュエータの集電体層は、金属粉をバインダー樹脂で決着して構成されている。高分子アクチュエータの集電体においても、その抵抗値が低いことが好ましく、表面固有抵抗が10−2Ω/□以下、より好ましくは10−3Ω/□以下である。 The current collector layer of the polymer actuator of the present invention is configured by fixing metal powder with a binder resin. Also in the current collector of the polymer actuator, the resistance value is preferably low, and the surface specific resistance is 10 −2 Ω / □ or less, more preferably 10 −3 Ω / □ or less.

電気二重層キャパシタ等とは異なり高分子アクチュエータの集電体は、その駆動を妨げないよう十分に柔軟であり可撓性を有することが求められる。これらの観点から、集電体層の引張弾性率は20GPa以下であることが好ましく、10GPa以下であることがより好ましく、5GPa以下であることがさらに好ましい。また高分子アクチュエータが大きく駆動しても集電体が破断することなく機能するためには、集電体の引張破断伸びが0.05%以上であることが好ましく、0.1%以上であるとより好ましい。   Unlike an electric double layer capacitor or the like, the current collector of the polymer actuator is required to be sufficiently soft and flexible so as not to hinder its driving. From these viewpoints, the tensile elastic modulus of the current collector layer is preferably 20 GPa or less, more preferably 10 GPa or less, and further preferably 5 GPa or less. In order for the current collector to function without breaking even when the polymer actuator is driven largely, the tensile break elongation of the current collector is preferably 0.05% or more, and more preferably 0.1% or more. And more preferred.

本発明の高分子アクチュエータを構成する集電体については上述された条件が満たされる限り特に制限は無いが、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル等の金属粉、および所望により加えてもよいカーボンパウダー、カーボンナノチューブ、炭素繊維などの炭素微粉と、バインダー樹脂とからなる膜状成形体などを挙げることができる。これらは可撓性の観点から好ましい。導電性の観点からは金属粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体であることがより好ましく、工業的経済性の観点からは銀粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体であることが特に好ましい。   The current collector constituting the polymer actuator of the present invention is not particularly limited as long as the above-mentioned conditions are satisfied. For example, metal powders such as gold, silver, copper, platinum, aluminum, and nickel, and, if desired, added Examples thereof include a film-like molded article made of carbon powder such as carbon powder, carbon nanotube, and carbon fiber, and a binder resin. These are preferable from the viewpoint of flexibility. From the viewpoint of conductivity, it is more preferable to be a film-shaped molded body composed of metal powder and a binder resin, and from the viewpoint of industrial economy, a film-shaped molded body composed of silver powder and a binder resin is particularly preferable. .

また集電体に含まれるバインダー樹脂の成分としては特に制限は無く、例えば電極のバインダーとして後ろに例示する樹脂などを利用することができる。そのうちでも集電体の可撓性の観点から、ポリエステル、(メタ)アクリル系樹脂、ゴム類あるいはこれらの架橋体、または熱可塑性エラストマー類であることが好ましく、長期の形状安定性の観点からゴム類の架橋体であることがより好ましい。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular as a component of binder resin contained in a collector, For example, resin etc. which are illustrated back as a binder of an electrode can be utilized. Among these, from the viewpoint of the flexibility of the current collector, polyester, (meth) acrylic resin, rubbers or their cross-linked bodies, or thermoplastic elastomers are preferable, and rubber from the viewpoint of long-term shape stability. More preferably, it is a crosslinked product.

上述した観点から、特に好ましい例の1つとして、銀粉とウレタンゴム(熱硬化性)を含む集電体を挙げることができる。   From the viewpoint described above, one particularly preferred example is a current collector containing silver powder and urethane rubber (thermosetting).

また集電体には上記した以外にも、本発明の範囲を損なわない範囲において、酸化防止剤、UV吸収剤、滑剤、分散剤、界面活性剤、増量剤、補強剤、可塑剤等を集電体100重量部に対して好ましくは40重量部以下、より好ましくは30重量部以下、さらに好ましくは20質量部以下含んでいてもよい。   In addition to the above, the current collector may contain an antioxidant, a UV absorber, a lubricant, a dispersant, a surfactant, a bulking agent, a reinforcing agent, a plasticizer, etc., as long as the scope of the present invention is not impaired. It may be contained in an amount of preferably 40 parts by weight or less, more preferably 30 parts by weight or less, still more preferably 20 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the electric body.

集電体の形成方法は、例えば集電体が金属薄膜である場合には真空蒸着法、イオンスパッタリング法、溶射法、ナノ金属粒子含有インクを塗工、焼結する方法等を挙げることができる。集電体が金属箔である場合には、金属箔を熱等で圧着する方法を挙げることができる。集電体が金属粉あるいは炭素微粉とバインダー樹脂とからなる場合は、これらを溶剤で希釈、あるいは溶剤に分散して得られるインクを塗工、硬化(架橋)する方法、別途、膜状に成形した集電体を熱等で圧着する方法等を挙げることができる。これらのうちでも本発明では、電極層と集電体層の接着性に優れることから、金属粉とバインダー樹脂及びその他必要により加えてもよい炭素微粉などの成分とを溶剤で希釈、あるいは溶剤に分散して得られるペースト、インク等を電極層に直接塗工、硬化により結着させる方法を用いる。   Examples of the method of forming the current collector include a vacuum deposition method, an ion sputtering method, a thermal spraying method, and a method of applying and sintering nanometal particle-containing ink when the current collector is a metal thin film. . In the case where the current collector is a metal foil, a method of pressing the metal foil with heat or the like can be mentioned. When the current collector is composed of metal powder or carbon fine powder and a binder resin, a method of coating and curing (crosslinking) ink obtained by diluting these with a solvent or dispersing them in a solvent, separately formed into a film The method of crimping the collected current collector with heat or the like can be mentioned. Among these, in the present invention, since the adhesion between the electrode layer and the current collector layer is excellent, the metal powder and the binder resin and other components such as carbon fine powder that may be added if necessary are diluted with a solvent, A method is used in which paste, ink, and the like obtained by dispersion are directly applied to the electrode layer and bonded by curing.

集電体を塗工により形成する場合、その塗工法は金属粉とバインダー樹脂及びその他必要により加えてもよい炭素微粉などの成分とを溶剤に分散して得られるインクの粘弾性的性質により適宜選択することができ、例えば、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、バーコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法等を挙げることができる。   When the current collector is formed by coating, the coating method is appropriately determined depending on the viscoelastic properties of the ink obtained by dispersing metal powder, binder resin, and other components such as carbon fine powder that may be added if necessary. Examples thereof include spin coating, spray coating, die coating, bar coating, ink jet, screen printing, and gravure printing.

集電体層を形成させる順序としては特に制限はなく、電極層−非水系高分子固体電解質層−電極層の2種3層構造の外側に集電体層を形成する方法、電極層上に先に集電体層を形成して得られる2種2層構造の膜で非水系高分子固体電解質層を挟み込み圧着する方法、集電体層−電極層−非水系高分子固体電解質層の2種3層構造の膜同士を、非水系高分子固体電解質面同士を向かい合わせて張り合わせる方法、集電体層−電極層−非水系高分子固体電解質層−電極層−集電体層の順に形成させていく方法等を挙げることができる。   There is no restriction | limiting in particular as an order which forms a collector layer, The method of forming a collector layer on the outer side of 2 types 3 layer structure of an electrode layer-non-aqueous polymer solid electrolyte layer-electrode layer, on an electrode layer A method of sandwiching a non-aqueous polymer solid electrolyte layer with a film of a two-type two-layer structure obtained by forming a current collector layer first, and pressure-bonding, current collector layer-electrode layer-non-aqueous polymer solid electrolyte layer 2 Method of laminating membranes of seed three-layer structure with non-aqueous polymer solid electrolyte surfaces facing each other, current collector layer-electrode layer-non-aqueous polymer solid electrolyte layer-electrode layer-current collector layer The method of forming can be mentioned.

電極を構成する要素としては、大きな比表面積を有する活物質、電極を膜状に自立させるためのバインダー樹脂、及び必要に応じイオン性物質などが挙げられる。大きな比表面積を有する活物質は、例えば、活性炭、活性炭クロス、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維などの炭素材料、金、白金等の貴金属粒子、酸化チタン、酸化亜鉛、インジウム-スズ複合酸化物(ITO)などの金属酸化物粒子などを例示することが出来る。これらのうちでも、工業的経済性、電気化学的安定性の観点から炭素材料であることが好ましく、比表面積の大きさからは活性炭、活性炭クロス、カーボンブラック、カーボンナノチューブであることがより好ましい。   Examples of elements constituting the electrode include an active material having a large specific surface area, a binder resin for allowing the electrode to self-support in a film shape, and an ionic material as necessary. Active materials having a large specific surface area include, for example, carbon materials such as activated carbon, activated carbon cloth, carbon black, carbon nanotube, and carbon fiber, noble metal particles such as gold and platinum, titanium oxide, zinc oxide, and indium-tin composite oxide ( Examples thereof include metal oxide particles such as ITO. Among these, a carbon material is preferable from the viewpoint of industrial economy and electrochemical stability, and activated carbon, activated carbon cloth, carbon black, and carbon nanotube are more preferable from the viewpoint of the specific surface area.

電極を構成するバインダー樹脂としては、特に制限はないが、目的に応じ一般的に利用される樹脂を用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン、ポリα-メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂、ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ナイロン−6、ナイロン-6,6、ナイロン-9T、ナイロン-11、ナイロン-12、ナイロン-6.12等のポリアミド系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂や、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム(軟質熱硬化型ポリウレタンを含む)等のゴム類あるいはこれらの架橋体、オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)、アクリル系熱可塑性エラストマー(例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルのブロック共重合体など)、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)、ポリエステル系熱可塑性エラストマー(TPEE)、ポリアミド系熱可塑性エラストマー(TPAE)等の熱可塑性エラストマー類などを挙げることができる。上記の樹脂は、それを構成する単量体単位が他種の樹脂を構成する単量体単位として例示したものと共重合しているものであってもよい。これらのうちでも、造膜性の観点からはポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンやスチレン-ブタジエンゴム、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系エラストマーであることが好ましい。また電極層は後述の非水系高分子固体電解質と密着する必要があるため、後に例示する非水系高分子固体電解質を構成する高分子と同一または類似であってもよい。   The binder resin constituting the electrode is not particularly limited, but a resin that is generally used according to the purpose can be used. For example, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polystyrene, poly α-methylstyrene, etc. Polystyrene resins, poly (methyl methacrylate), poly (ethyl methacrylate), poly (butyl methacrylate), poly (acrylic acid), poly (methyl acrylate), poly (ethyl acrylate), poly (butyl acrylate) and other (meth) acrylic resins, polyvinyl chloride , Polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymers, vinyl halide resins such as polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene, polyethylene glycol terephthalate, polyethylene glycol naphthalene Polyester resins such as phthalate and polybutylene glycol terephthalate, polyamide resins such as nylon-6, nylon-6,6, nylon-9T, nylon-11, nylon-12, nylon-6.12. Thermosetting resins such as polycarbonate resins, unsaturated polyesters, epoxy resins, alkyd resins, phenol resins, thermosetting polyurethane resins, natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber (styrene butadiene random copolymer) Polymers), rubbers such as acrylic rubber, nitrile rubber, norbornene rubber, silicone rubber, urethane rubber (including soft thermosetting polyurethane) or cross-linked products thereof, olefin-based thermoplastic elastomer (TPO), styrene-based thermoplastic Elastomer TPS), crosslinkable olefin thermoplastic elastomer (TPV), acrylic thermoplastic elastomer (eg, block copolymer of polymethyl methacrylate and polybutyl acrylate), polyurethane thermoplastic elastomer (TPU), polyester Examples thereof include thermoplastic elastomers such as thermoplastic elastomer (TPEE) and polyamide-based thermoplastic elastomer (TPAE). The above resin may be one in which the monomer unit constituting it is copolymerized with those exemplified as the monomer unit constituting another type of resin. Among these, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber, thermoplastic polyurethane resin, and thermoplastic polyurethane elastomer are preferable from the viewpoint of film forming property. In addition, since the electrode layer needs to be in close contact with a nonaqueous polymer solid electrolyte described later, it may be the same as or similar to the polymer constituting the nonaqueous polymer solid electrolyte exemplified later.

電極を構成するイオン性物質としては特に制限は無いが、金属塩、有機オニウム塩、イオン液体等を例示することができる。これらのうちでも、当該高分子アクチュエータが水の無い環境において動作することが必要であるとの観点から、有機オニウム塩、イオン液体であることが好ましく、そのイオン伝導性、ひいてはアクチュエータの動作速度の観点からからはイオン液体であることがより好ましい。
非水系高分子固体電解質に含まれるイオン液体については、例えば有機カチオンの例としては、下記一般式(I)〜(V)を挙げることができる。
Although there is no restriction | limiting in particular as an ionic substance which comprises an electrode, A metal salt, organic onium salt, an ionic liquid etc. can be illustrated. Among these, from the viewpoint that the polymer actuator is required to operate in an environment without water, it is preferably an organic onium salt or an ionic liquid, and its ionic conductivity, and hence the operating speed of the actuator. From the viewpoint, an ionic liquid is more preferable.
As for the ionic liquid contained in the non-aqueous polymer solid electrolyte, the following general formulas (I) to (V) can be given as examples of organic cations.

Figure 2010124543
(I)式中、R、R、Rはそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表す。
Figure 2010124543
In formula (I), R 1, R 2, R 3 are each independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, C2-10 straight-chain or branched, A group selected from an alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms.

Figure 2010124543
(II)式中、Rは、水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐上アルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基、R’は炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルキル基、nは0〜5の数を表す。
Figure 2010124543
(II) In the formula, R 4 represents a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a linear or branched alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, or 6 to 15 carbon atoms. A group selected from an aryl group having 8 to 20 carbon atoms, an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, R ′ is a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n is 0 Represents a number of ~ 5.

Figure 2010124543
(III)式中、R、R、R、Rはそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表し、R〜Rのうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010124543
(III) In the formula, R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a straight chain having 2 to 10 carbon atoms or Represents a group selected from a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and 2 of R 5 to R 8 Two groups may jointly form a ring structure.

Figure 2010124543
(IV)式中、R、R10、R11、R12はそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表し、R〜R12のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010124543
(IV) In the formula, R 9 , R 10 , R 11 , R 12 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a straight chain having 2 to 10 carbon atoms. Or a group selected from a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and among R 9 to R 12 , Two groups may jointly form a ring structure.

Figure 2010124543
(V)式中、R13、R14、R15はそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表し、R13〜R15のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010124543
(V) In formula, R <13> , R <14> , R <15> is respectively independently a hydrogen atom or a C1-C10 linear or branched alkyl group, C2-C10 linear or branched. Represents a group selected from an alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and two groups among R 13 to R 15 May jointly form a ring structure.

これらのうちでもイオン液体のイオン伝導性、入手容易性の観点から一般式(I)で表されるイミダゾリウムカチオンが好ましい。このうちでも、イオン液体の融点、粘度の観点から一般式(I)におけるR、Rは炭素数1〜6の直鎖状、または分岐状のアルキル基であることが好ましく、R1とが異なる基であることがより好ましい。もっとも好ましい有機カチオンの例としては、エチルメチルイミダゾリウムカチオン(EMI)を挙げることができる。 Among these, the imidazolium cation represented by the general formula (I) is preferable from the viewpoint of ion conductivity and availability of the ionic liquid. Among these, from the viewpoints of the melting point and viscosity of the ionic liquid, R 1 and R 2 in the general formula (I) are preferably straight-chain or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms , More preferably, R 2 is a different group. As an example of the most preferable organic cation, an ethylmethylimidazolium cation (EMI + ) can be mentioned.

本発明において用いられる好適なイオン液体を構成するアニオンの例としては、含ハロゲンアニオン、鉱酸アニオン、有機酸アニオン等を挙げることができる。含ハロゲンアニオンもしくは鉱酸アニオンの例としては、具体的にはPF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、BF4 -、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-、(CF3SO2)3C-、AsF6 -、SO4 2-、(CN)2N-、及びNO3 -を挙げることができる。また有機酸アニオンの例としてはRSO3 -、RCO2 -を挙げることができる。Rはアルキル基、アリル基、アルケニル基、アラルキル基、アラルケニル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、スルホアルキル基、アリール基、あるいはベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等の芳香族複素環残基であり、複数の環状構造もしくは分岐構造を含んでいても構わない。これらのうちでもイオン液体のイオン伝導率、入手容易性の観点からPF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、BF4 -、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO22N-、(CN)2N-が好ましく、特に(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-等のスルホニルイミド系アニオンが好ましい。 Examples of anions constituting a suitable ionic liquid used in the present invention include halogen-containing anions, mineral acid anions, organic acid anions, and the like. Specific examples of the halogen-containing anion or mineral acid anion include PF 6 , ClO 4 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , BF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, AsF 6 -, SO 4 2-, (CN) 2 N -, and NO 3 - can be exemplified. Examples of the organic acid anion include RSO 3 and RCO 2 . R is an alkyl group, an allyl group, an alkenyl group, an aralkyl group, an aralkenyl group, an alkoxyalkyl group, an acyloxyalkyl group, a sulfoalkyl group, an aryl group, or an aromatic heterocyclic residue such as a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring. There may be a plurality of cyclic structures or branched structures. Among these, PF 6 , ClO 4 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , BF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 from the viewpoint of ionic conductivity and availability of ionic liquids N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CN) 2 N - is preferable, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N - etc. sulfonylimide of System anions are preferred.

以上のことより、本発明に好適に用いられるイオン液体の例としては上記した有機カチオンとアニオンの組み合わせからなるイオン液体を挙げることができる。これらは単独で用いても良いし、複数を組み合わせて用いても良い。好ましいイオン液体の例としては、エチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMITFSI)、エチルメチルイミダゾリウムビス(ペンタフルオロスルホニル)イミド(EMIPFSI)、ブチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(BMITFSI)、ブチルメチルイミダゾリウムビス(ペンタフルオロスルホニルイミド)(BMIPFSI)を挙げることができる。これらのうちでも、イオン液体のイオン伝導性の観点からEMITFSI、EMIPFSIが好ましく、入手容易性の観点からはEMITFSIがより好ましい例として挙げられる。   From the above, examples of the ionic liquid suitably used in the present invention include an ionic liquid composed of a combination of the above-described organic cation and anion. These may be used alone or in combination. Examples of preferred ionic liquids include ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI), ethylmethylimidazolium bis (pentafluorosulfonyl) imide (EMIPFSI), butylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ( BMITFSI) and butylmethylimidazolium bis (pentafluorosulfonylimide) (BMIPFSI). Among these, EMITFSI and EMIPFSI are preferable from the viewpoint of ionic conductivity of the ionic liquid, and EMITFSI is a more preferable example from the viewpoint of availability.

また電極が分極性電極で無い場合においても、例えば擬似二重層容量を有する電極を用いてもよい。このような電極を与える活物質としては、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化イリジウム(IrO2)、ルテニウム-スズ複合酸化物(RuO2-SnO2)、ルテニウム-モリブデン複合酸化物(Ru-V-O)、ルテニウム-バナジウム複合酸化物(Ru-V-O)等の貴金属酸化物、酸化ニッケル(NiO)、酸化タングステン(WO3)、酸化コバルト(Co3O4)、酸化モリブデン(MoO3)、酸化チタン(TiO2)等の金属酸化物、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチオフェン誘導体等の導電性高分子などを挙げることができる。 Even when the electrode is not a polarizable electrode, for example, an electrode having a pseudo double layer capacity may be used. Examples of active materials that provide such an electrode include ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium-tin composite oxide (RuO 2 -SnO 2 ), and ruthenium-molybdenum composite oxide (Ru— VO), noble metal oxides such as ruthenium-vanadium complex oxide (Ru-VO), nickel oxide (NiO), tungsten oxide (WO 3 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), oxidation Examples thereof include metal oxides such as titanium (TiO 2 ), conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline, polythiophene, and polythiophene derivatives.

本発明で用いる非水系高分子固体電解質としては特に制限はないが、水が存在しない状態において、少なくとも10−6S/cm以上の、好ましくは10−5S/cm以上の、より好ましくは10−4S/cm以上のイオン伝導率を有する非水系高分子固体電解質である。これよりもイオン伝導率が低い場合には、高分子アクチュエータの応答性に劣るため好ましくない。 The non-aqueous solid polymer electrolyte used in the present invention is not particularly limited, but is at least 10 −6 S / cm or more, preferably 10 −5 S / cm or more, more preferably 10 in the absence of water. It is a non-aqueous polymer solid electrolyte having an ionic conductivity of −4 S / cm or more. If the ion conductivity is lower than this, it is not preferable because the response of the polymer actuator is inferior.

このような非水系高分子固体電解質の例としては、高分子とイオン液体からなるもの、高分子と有機溶媒とイオン液体からなるものなどを挙げることができる。これらのうちでも、イオン伝導率の観点、有機溶媒の揮発による性能低下が無視できるという点から高分子とイオン液体からなるものであることがより好ましい。   Examples of such non-aqueous solid polymer electrolytes include those composed of a polymer and an ionic liquid, and those composed of a polymer, an organic solvent and an ionic liquid. Among these, it is more preferable to use a polymer and an ionic liquid from the viewpoint of ionic conductivity and from the point that performance degradation due to volatilization of the organic solvent can be ignored.

非水系高分子固体電解質を構成する高分子としては、上述の電極層を構成するバインダー樹脂と同等のもののほかに、好ましい例として、使用されるイオン液体(A)と相溶する重合体ブロック(P)を1つ以上有し、イオン液体(A)と非相溶である重合体ブロック(Q)を1つ以上有するブロック共重合体(R)を挙げることができる。重合体ブロック(P)の例としては(メタ)アクリル酸と炭素数1〜3のアルカノールとのエステル;(メタ)アクリル酸と炭素数2〜4のアルキレングリコール、炭素数4〜6のジアルキレングリコール又は炭素数6〜9のトリアルキレングリコールとのモノエステル;(メタ)アクリル酸と炭素数2〜4のアルコキシアルカノールとのエステル;(メタ)アクリル酸と炭素数4〜6のジアルキレングリコールもしくは炭素数6〜9のトリアルキレングリコールのモノメチルもしくはモノエチルエーテルとのエステル;及び(メタ)アクリル酸と炭素数2〜4のアミノアルカノールとのエステルから選ばれる少なくとも1種の単独重合体ブロックもしくは共重合体ブロックを挙げることができる。   As a polymer constituting the non-aqueous polymer solid electrolyte, in addition to the polymer equivalent to the binder resin constituting the electrode layer described above, as a preferred example, a polymer block compatible with the ionic liquid (A) used ( Examples thereof include a block copolymer (R) having at least one polymer block (Q) having at least one P) and incompatible with the ionic liquid (A). Examples of the polymer block (P) are esters of (meth) acrylic acid and alkanols having 1 to 3 carbon atoms; (meth) acrylic acid and alkylene glycols having 2 to 4 carbon atoms, dialkylene having 4 to 6 carbon atoms Monoester of glycol or C6-C9 trialkylene glycol; ester of (meth) acrylic acid and C2-C4 alkoxyalkanol; (meth) acrylic acid and C4-C6 dialkylene glycol or At least one homopolymer block or copolymer selected from ester of monoalkylene or monoethyl ether of trialkylene glycol having 6 to 9 carbon atoms; and ester of (meth) acrylic acid and aminoalkanol having 2 to 4 carbon atoms. There may be mentioned polymer blocks.

重合体ブロック(Q)としては、芳香族ビニル化合物単位を繰返し単位とする重合体ブロック;結晶性ポリオレフィンブロック;炭素数4以上のアルキル基を有するメタクリル酸アルキルエステルの重合体ブロック;ポリシクロヘキシルメタクリレートブロック;ポリイソボルニルメタクリレートブロック;又はn−ブチルメタクリレートもしくはイソブチルメタクリレートとイソボルニルメタクリレートとのランダム共重合体ブロックを挙げることができる。   As the polymer block (Q), a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a repeating unit; a crystalline polyolefin block; a polymer block of a methacrylic acid alkyl ester having an alkyl group having 4 or more carbon atoms; a polycyclohexyl methacrylate block A polyisobornyl methacrylate block; or a random copolymer block of n-butyl methacrylate or isobutyl methacrylate and isobornyl methacrylate.

またブロック共重合体(R)は縮合重合タイプのブロック共重合体であってもよく、例えばブロック共重合体(R)が熱可塑性ポリウレタンである場合は、重合体ブロック(P)としてはポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリエステルポリカーボネートポリオールなどの高分子ポリオールからなる重合体ブロックを、重合体ブロック(Q)としては4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートなどのニ官能イソシアネートと、1,4−ブタンジオールなどの鎖延長剤との反応生成物からなる重合体ブロックを挙げることができる。   The block copolymer (R) may be a condensation polymerization type block copolymer. For example, when the block copolymer (R) is a thermoplastic polyurethane, the polymer block (P) may be a polyester polyol. , A polyether block, a polycarbonate polyol, a polymer block made of a polymer polyol such as a polyester polycarbonate polyol, and the polymer block (Q) is a bifunctional isocyanate such as 4,4′-diphenylmethane diisocyanate and 1,4-butane. Examples thereof include a polymer block composed of a reaction product with a chain extender such as diol.

非水系高分子固体電解質の特に望ましい例を挙げるとすると例えば、イオン液体(A)として、エチルメチルイミダゾリウム
ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMITFSI)を用いた場合、重合体ブロック(P)がポリアクリル酸メチル、重合体ブロック(Q)がポリスチレンであり、ブロック共重合体(R)のシーケンスがQ−P−Qであるブロック共重合体、すなわちポリスチレン-b-ポリアクリル酸メチル-b-ポリスチレンを、あるいは、重合体ブロック(P)がアジピン酸と1,4−ブタンジオールから構成されるポリエステルブロック、重合体ブロック(Q)が4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートと1,4−ブタンジオールからなる重合体ブロックであり、ブロック共重合体(R)のシーケンスが(P−Q) ;(nは1以上の数)であるマルチブロック共重合体ポリウレタンを挙げることができる。
As a particularly desirable example of the non-aqueous polymer solid electrolyte, for example, when ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI) is used as the ionic liquid (A), the polymer block (P) is poly Methyl acrylate, polymer block (Q) is polystyrene, block copolymer (R) is a block copolymer whose sequence is QPQ, ie polystyrene-b-polymethyl acrylate-b-polystyrene Alternatively, the polymer block (P) is a polyester block composed of adipic acid and 1,4-butanediol, and the polymer block (Q) is composed of 4,4′-diphenylmethane diisocyanate and 1,4-butanediol. A polymer block, and the sequence of the block copolymer (R) is (PQ) n ; (n Is a multi-block copolymer polyurethane having a number of 1 or more.

本発明の高分子アクチュエータは、空気中、水中、真空中、有機溶媒中で動作することができる。また使用環境に応じて、適宜封止を施してもよい。封止材料の例としては、特に制限はなく、各種樹脂などを挙げることができる。   The polymer actuator of the present invention can operate in air, water, vacuum, and organic solvent. Moreover, you may seal suitably according to a use environment. There is no restriction | limiting in particular as an example of sealing material, Various resin etc. can be mentioned.

以下、実施例及び比較例並びに参考例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。また、以下の実施例、比較例、参考例において用いた測定機器、測定方法及び使用材料を示す。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example, a comparative example, and a reference example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited at all by these. In addition, measuring instruments, measuring methods, and materials used in the following examples, comparative examples, and reference examples are shown.

(1)イオン伝導率の測定
使用機器: 日置電機社製ケミカルインピーダンス3532−80
想定方法: 複素インピーダンス法、交流4端子セルを用いて測定、25℃/11Rh%で一晩以上、高分子固体電解質を調湿した後に測定。測定温度25℃。
(1) Ion conductivity measurement Equipment used: Chemical impedance 3532-80 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd.
Assumed method: Measured using a complex impedance method, an AC four-terminal cell, and after conditioning the polymer solid electrolyte at 25 ° C./11 Rh% overnight or longer. Measurement temperature 25 ° C.

(2)DSC測定
高分子、又は高分子固体電解質を少量取り、メトラー社製DSC−822eを用いて測定した。室温からガラス転移温度(Tg)以上の温度まで30℃/分で昇温したのち5分間ホールドし熱履歴を消去した。その後、10℃/分で−100℃まで降温した。−100℃で5分間ホールドした後、10℃/分で200℃まで昇温する過程を観察した。
(2) DSC measurement A small amount of polymer or solid polymer electrolyte was taken and measured using a DSC-822e manufactured by Mettler. The temperature was raised from room temperature to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg) at 30 ° C./min, and then held for 5 minutes to erase the heat history. Thereafter, the temperature was lowered to −100 ° C. at 10 ° C./min. After holding at −100 ° C. for 5 minutes, the process of raising the temperature to 200 ° C. at 10 ° C./min was observed.

(3)引張試験
使用機器: 島津製作所社製 オートグラフ AG−2000
作製した集電体膜について引張試験を行い、引張弾性率を測定した。
(3) Tensile test equipment: Shimadzu Autograph AG-2000
The produced current collector film was subjected to a tensile test, and the tensile modulus was measured.

(4)表面固有抵抗値の測定
使用機器: 電気抵抗測定装置(三菱化学社製「Laresta−GP MCP−T610」)
膜状の試験片について5ヶ所の表面抵抗を測定し、その平均値を算出した。
(4) Surface resistivity measurement device used: Electrical resistance measuring device ("Laresta-GP MCP-T610" manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
The surface resistance was measured at five locations on the film-like test piece, and the average value was calculated.

(5)アクチュエータ動作試験
図3に示すとおり15mm×5mmの大きさにカットした高分子アクチュエータ10について、長さ方向に10mmを銅製端子12と銅金製端子13で挟み、アクチュエータとして動作する長さ5mmを空気中に出して測定セルとした。銅製端子12と13に、ポテンショスタット15(北斗電工社製 HAB−151)の電位制御端子、および電流制御端子を接続した。銅製端子12は作用電極、銅製端子13は対向電極すなわち参照電極である。高分子アクチュエータ10の空気中に出た部分の先端から4mmの位置Pにレーザー変位計(キーエンス社製「LC−2440」)10のターゲットを定めた。この状態でセルを固定し、ポテンショスタット15から高分子アクチュエータ10の両側電極間に1Vの電圧を印加してレーザー変位計10で変位量を計測した。電圧印加1秒後の変位量をD1、30秒後の変位量をD30としてD1/D30の値を応答性の指標とした。この値が1に近いほど応答性が良好であり、ゼロに近いほど不良である。
(5) Actuator operation test As shown in FIG. 3, with respect to the polymer actuator 10 cut into a size of 15 mm × 5 mm, 10 mm is sandwiched between the copper terminal 12 and the copper metal terminal 13 in the length direction, and the actuator operates as an actuator. 5 mm was taken out into the air and used as a measurement cell. A potential control terminal and a current control terminal of a potentiostat 15 (HAB-151 manufactured by Hokuto Denko) were connected to the copper terminals 12 and 13. The copper terminal 12 is a working electrode, and the copper terminal 13 is a counter electrode, that is, a reference electrode. A target of a laser displacement meter (“LC-2440” manufactured by Keyence Corporation) 10 was determined at a position P of 4 mm from the tip of the portion of the polymer actuator 10 exposed to the air. In this state, the cell was fixed, a voltage of 1 V was applied from the potentiostat 15 between both electrodes of the polymer actuator 10, and the displacement amount was measured with the laser displacement meter 10. The displacement amount after 1 second of voltage application was D1, the displacement amount after 30 seconds was D30, and the value of D1 / D30 was used as an index of responsiveness. The closer this value is to 1, the better the response, and the closer to zero, the worse.

使用した材料を以下に示す。
(1) ポリスチレン−b−ポリメチルアクリレート−b−ポリスチレン; 銅(I)錯体を触媒に用いたリビングラジカル重合法により合成した。数平均分子量(Mn) 186,400、分子量分布(Mw/Mn) 1.73、ブロック共重合体中に含まれるポリメチルアクリレート含量 27重量%、以下、SMSブロック共重合体と記載することがある。
The materials used are shown below.
(1) Polystyrene-b-polymethylacrylate-b-polystyrene; It was synthesized by a living radical polymerization method using a copper (I) complex as a catalyst. Number average molecular weight (Mn) 186,400, molecular weight distribution (Mw / Mn) 1.73, polymethyl acrylate content in block copolymer 27% by weight, hereinafter sometimes referred to as SMS block copolymer .

(2) マルチブロック共重合体型熱可塑性ポリウレタン; クラレ製「クラミロンU2795」(1,4−ブタンジオールとアジピン酸からなるポリエステルポリオールに由来する重合体ブロックと、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートと1,4―ブタンジオールとからなる重合体ブロックからなる、マルチブロック共重合体型熱可塑性ポリウレタン)をそのまま用いた。   (2) Multi-block copolymer type thermoplastic polyurethane; “Kuramylon U2795” manufactured by Kuraray (a polymer block derived from a polyester polyol composed of 1,4-butanediol and adipic acid, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate and 1, A multi-block copolymer type thermoplastic polyurethane composed of a polymer block composed of 4-butanediol was used as it was.

(3) エチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド (EMITFSI); 日本合成化学社より購入し、そのまま用いた。   (3) Ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI); purchased from Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd. and used as it is.

(4) ポリ(フッ化ビニリデン−ran−ヘキサフルオロプロピレン)(P(VDF/HFP)); アルケマ社製「カイナー2801」を購入し、そのまま用いた。   (4) Poly (vinylidene fluoride-ran-hexafluoropropylene) (P (VDF / HFP)); “Kyner 2801” manufactured by Arkema was purchased and used as it was.

(5) 活性炭; クラレケミカル社製「YP−50F」を購入し、そのまま用いた。   (5) Activated carbon: “YP-50F” manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd. was purchased and used as it was.

(6) アセチレンブラック; 電気化学社製「デンカブラック」を購入し、そのまま用いた。   (6) Acetylene black; “Denka Black” manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd. was purchased and used as it was.

(7) 銀ペーストA; 日本黒鉛社製「バニーハイト M−15」(銀粒子と熱硬化性ウレタンゴムを含む銀ペースト)を購入しそのまま用いた。   (7) Silver paste A; “Bunny Height M-15” (silver paste containing silver particles and thermosetting urethane rubber) manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd. was purchased and used as it was.

(8) 銀ペーストB; 藤倉化成社製「ドータイト XA9015」(銀粒子とポリエステルを含む銀ペースト)を購入しそのまま用いた。   (8) Silver paste B; “Dotite XA9015” (silver paste containing silver particles and polyester) manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd. was purchased and used as it was.

(9) 銀ペーストC; 藤倉化成社製「ドータイト FA353N」(銀粒子とポリエステルを含む銀ペースト)を購入しそのまま用いた。   (9) Silver paste C: “Dotite FA353N” (silver paste containing silver particles and polyester) manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd. was purchased and used as it was.

(10) アルミニウム箔; 住軽アルミ箔株式会社製「マイホイル」(厚み 12μm)を購入しそのまま用いた。   (10) Aluminum foil: “My foil” (thickness: 12 μm) manufactured by Sumi Light Aluminum Foil Co., Ltd. was purchased and used as it was.

その他、記載のない試薬、資材は購入したものをそのまま用いた。   Other purchased reagents and materials were used as they were.

≪参考例1≫ 高分子固体電解質膜Aの製造
(1) SMSブロック共重合体 1gとEMITFSI 1.61gをテトラヒドロフランに溶解し、平滑な基材上にキャストすることで厚み100μmの高分子固体電解質膜Aを得た。得られた高分子固体電解質膜Aのイオン伝導率は1.42×10−3S/cmであった。
Reference Example 1 Production of Polymer Solid Electrolyte Membrane (1) 1 g of SMS block copolymer and 1.61 g of EMITFSI are dissolved in tetrahydrofuran and cast on a smooth substrate to give a polymer solid electrolyte having a thickness of 100 μm. Membrane A was obtained. The obtained solid polymer electrolyte membrane A had an ionic conductivity of 1.42 × 10 −3 S / cm.

(2) SMSブロック共重合体、及び(1)で得られた高分子固体電解質膜AのDSC測定を行ったところ、EMITFSIはポリメチルアクリレートブロックに偏在していることがわかった。したがってこの場合において、ポリメチルアクリレートブロックが重合体ブロック(P)に、ポリスチレンブロックが重合体ブロック(Q)に相当する。   (2) When the DSC measurement of the SMS block copolymer and the polymer solid electrolyte membrane A obtained in (1) was performed, it was found that EMITFSI was unevenly distributed in the polymethyl acrylate block. Therefore, in this case, the polymethyl acrylate block corresponds to the polymer block (P), and the polystyrene block corresponds to the polymer block (Q).

≪参考例2≫ 高分子固体電解質Bの製造
(1) マルチブロック共重合体型ポリウレタン 1gとEMITFSI 2.5gをテトラヒドロフランに溶解し、平滑な基材上にキャストすることで厚さ100μmの高分子固体電解質膜Bを得た。得られた高分子固体電解質Bのイオン伝導率は3.53×10−3S/cmであった。
Reference Example 2 Production of Polymer Solid Electrolyte B (1) 1 g of multi-block copolymer polyurethane and 2.5 g of EMITFSI were dissolved in tetrahydrofuran and cast on a smooth substrate to form a polymer solid having a thickness of 100 μm. An electrolyte membrane B was obtained. The obtained solid polymer electrolyte B had an ionic conductivity of 3.53 × 10 −3 S / cm.

(2) マルチブロック共重合体型ポリウレタン、及び(1)で得られた高分子固体電解質BのDSC測定を行ったところ、EMITFSIはアジピン酸と1,4−ブタンジオールからなる高分子ポリオールに由来する重合体ブロックに偏在していることがわかった。したがってこの場合においては、アジピン酸と1,4−ブタンジオールからなる高分子ポリオールに由来する重合体ブロックが重合体ブロック(P)に、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートと1,4―ブタンジオールとからなる重合体ブロックが重合体ブロック(Q)に相当する。   (2) When DSC measurement was performed on the multiblock copolymer polyurethane and the polymer solid electrolyte B obtained in (1), EMITFSI was derived from a polymer polyol composed of adipic acid and 1,4-butanediol. It was found that it was unevenly distributed in the polymer block. Therefore, in this case, a polymer block derived from a polymer polyol composed of adipic acid and 1,4-butanediol is converted into a polymer block (P), and 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, 1,4-butanediol and The polymer block consisting of corresponds to the polymer block (Q).

≪参考例3≫ 電極層の製造
(1)乳鉢に活性炭0.1g、アセチレンブラック0.06g、P(VDF/HFP)0.04g及びEMITFSI 0.3gを取り、乳棒でよくすりつぶし、塊状の電極材料とした。
Reference Example 3 Production of Electrode Layer (1) Take 0.1 g of activated carbon, 0.06 g of acetylene black, 0.04 g of P (VDF / HFP) and 0.3 g of EMITFSI in a mortar and grind well with a pestle. Material was used.

(2)得られた塊状の電極材料を、PETフィルムに挟み、130℃で熱プレスすることで厚さ100μmの電極層を得た。   (2) The obtained bulk electrode material was sandwiched between PET films and hot pressed at 130 ° C. to obtain an electrode layer having a thickness of 100 μm.

≪参考例4≫ 高分子アクチュエータの製造A
(1)参考例1で得られた高分子固体電解質膜A、または参考例2で得られた高分子固体電解質膜Bを、参考例3で得られた電極膜2枚に挟み、厚さ300μmのプレス金型を用いて熱プレスを行うことで、電極−高分子固体電解質−電極の積層構造体からなる高分子アクチュエータを製造した。
Reference Example 4 Production of polymer actuator A
(1) The polymer solid electrolyte membrane A obtained in Reference Example 1 or the polymer solid electrolyte membrane B obtained in Reference Example 2 is sandwiched between two electrode membranes obtained in Reference Example 3, and the thickness is 300 μm. The polymer actuator which consists of a laminated structure of an electrode-polymer solid electrolyte-electrode was manufactured by performing a heat press using this press die.

(2)次いで、必要に応じ銀ペーストを、ドクターブレード(クリアランス 100μm)を用いて(1)で得られた積層構造体の片面に塗布した。これを100℃のホットプレート上で3時間乾燥、硬化させた。   (2) Next, if necessary, a silver paste was applied to one side of the laminated structure obtained in (1) using a doctor blade (clearance 100 μm). This was dried and cured on a hot plate at 100 ° C. for 3 hours.

(3)この作業をもう一方の面にも施して、さらに100℃で24時間真空乾燥することによって、集電体層を両面に有する高分子アクチュエータを製造した。   (3) This operation was also performed on the other surface, and further vacuum-dried at 100 ° C. for 24 hours to produce a polymer actuator having current collector layers on both surfaces.

≪参考例5≫ 高分子アクチュエータの製造B
参考例4で得られた積層構造体をアルミニウム箔2枚に挟み込み、厚さ300μmのプレス金型を用いて熱プレスを行うことにより、アルミニウム箔を積層構造体に両面に熱圧着させた高分子アクチュエータを製造した。
Reference Example 5 Production of polymer actuator B
A polymer in which the laminated structure obtained in Reference Example 4 is sandwiched between two aluminum foils and subjected to hot pressing using a 300 μm-thick press die so that the aluminum foil is thermocompression bonded to both sides of the laminated structure. An actuator was manufactured.

≪参考例6≫ 集電体膜の作製
(1) 銀ペーストをドクターブレード(クリアランス 750μm)を用いてPETフィルム状に塗工し、これを100℃のホットプレート上で3時間乾燥、硬化させ、さらに100℃で24時間真空乾燥させた。ここからPETフィルムのみを剥離し、集電体膜を得た。この膜について引張試験を実施し、集電体膜の引張物性を評価した。
Reference Example 6 Preparation of Current Collector Film (1) A silver paste was applied to a PET film using a doctor blade (clearance 750 μm), and this was dried and cured on a hot plate at 100 ° C. for 3 hours. Further, it was vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours. Only the PET film was peeled from here to obtain a current collector film. A tensile test was performed on this film to evaluate the tensile properties of the current collector film.

≪実施例1〜6≫
実施例1〜6の高分子アクチュエータにつき各データおよび測定結果を表1に示してある。
<< Examples 1 to 6 >>
Table 1 shows the data and measurement results for the polymer actuators of Examples 1 to 6.

Figure 2010124543
Figure 2010124543

≪比較例1〜4≫
比較例1〜4の高分子アクチュエータにつき各データおよび測定結果を表2に示してある。
<< Comparative Examples 1-4 >>
Table 2 shows data and measurement results for the polymer actuators of Comparative Examples 1 to 4.

Figure 2010124543
Figure 2010124543

実施例1〜3と比較例1、及び実施例4〜6と比較例2の比較より、表面固有抵抗の小さな集電体層を用いることにより、高分子アクチュエータの応答性が改善されることがわかる。   From the comparison between Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 and Examples 4 to 6 and Comparative Example 2, the response of the polymer actuator may be improved by using a current collector layer having a small surface resistivity. Recognize.

また比較例3、4においては表面固有抵抗の小さな集電体層としてアルミニウム箔を用いることで比較例1及び比較例2に対して高分子アクチュエータの応答性が改善されている。しかしながら実施例1〜3と比較例3、及び実施例4〜6と比較例4の比較より、引張弾性率の大きな集電体層を用いた場合には、高分子アクチュエータの変位量が小さくなってしまい、性能が低下しており好ましくないことがわかる。   In Comparative Examples 3 and 4, the responsiveness of the polymer actuator is improved with respect to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 by using aluminum foil as the current collector layer having a small surface specific resistance. However, in comparison with Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 and Examples 4 to 6 and Comparative Example 4, when a current collector layer having a large tensile elastic modulus is used, the displacement amount of the polymer actuator is reduced. As a result, the performance is degraded, which is not preferable.

本発明の高分子アクチュエータは、変位量の大きさなど高分子アクチュエータ固有の特徴を損なうことなく応答性が向上しており、医療機器やマイクロマシン、産業用ロボット、パーソナルロボット等の分野において好適に用いることができる。   The polymer actuator of the present invention has improved responsiveness without impairing the characteristics unique to the polymer actuator such as the magnitude of displacement, and is suitably used in the fields of medical equipment, micromachines, industrial robots, personal robots, and the like. be able to.

本発明を適用するアクチュエータの動作試験で用いた装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus used in the operation | movement test of the actuator to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10はアクチュエータ、12・13は銅製端子、15はポテンショスタット、18はレーザー変位計。   10 is an actuator, 12 and 13 are copper terminals, 15 is a potentiostat, and 18 is a laser displacement meter.

Claims (7)

イオン液体及び高分子成分を含む非水系高分子固体電解質の層を挟んで接する電極層が、外部電源からの給電により、該イオン液体から供給されるイオンを吸脱着して充電あるいは放電させることにより駆動する高分子アクチュエータにおいて、該電極層よりも高い電気伝導性を有し、金属粉をバインダー樹脂で結着させた集電体層が、該電極層の少なくとも一部を覆って、前記外部電源に接続していることを特徴とする高分子アクチュエータ。 The electrode layer in contact with the non-aqueous polymer solid electrolyte layer containing the ionic liquid and the polymer component is charged or discharged by adsorbing and desorbing ions supplied from the ionic liquid by supplying power from an external power source. In the polymer actuator to be driven, a current collector layer having higher electrical conductivity than the electrode layer and having a metal powder bound by a binder resin covers at least a part of the electrode layer, and the external power source A polymer actuator characterized by being connected to 該集電体層の、表面固有抵抗が最大10−2Ω/□であり、かつ引張弾性率が10GPa以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子アクチュエータ。 2. The polymer actuator according to claim 1, wherein the current collector layer has a maximum surface resistivity of 10 −2 Ω / □ and a tensile modulus of 10 GPa or less. 該金属粉が銀粉であることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to claim 1 or 2, wherein the metal powder is silver powder. 該バインダー樹脂がウレタン樹脂であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the binder resin is a urethane resin. 該集電体層が塗工により形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the current collector layer is formed by coating. 該非水系高分子固体電解質が、イオン液体と該イオン液体に相溶である重合体ブロック(P)を1つ以上と、該イオン液体と非相溶である重合体ブロック(Q)を1つ以上有するブロック共重合体(R)とを、含有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ。 The non-aqueous solid polymer electrolyte includes an ionic liquid and one or more polymer blocks (P) that are compatible with the ionic liquid, and one or more polymer blocks (Q) that are incompatible with the ionic liquid. The polymer actuator according to claim 1, further comprising a block copolymer (R) having the polymer. 該電極層が、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維から選ばれる少なくとも1つの炭素材料を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrode layer includes at least one carbon material selected from activated carbon, carbon black, carbon nanotube, and carbon fiber.
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